项目编号：??????? 1715???????
碳纤维汽车车身零部件低成本快速制造技术开发
Low-cost rapid manufacturing technology development of carbon fiber auto body parts
项目研制单位：东华大学? 上海赛科利汽车模具技术应用有限公司? 泛亚汽车技术中心有限公司
主要研制人员：余木火? 孙泽玉? 陶冬源? 张莉? 孔海娟? 张新异? 杜宇
陶雷? 闵伟? 戚亮亮? 张鹏飞
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主题词：碳纤维复合材料? 车门内板? 防撞梁? 连接? 成型工艺
1、研究内容介绍
（1）目的意义：
结合公司长期在汽车车身覆盖件方面的制造经验及优势，充分利用复合材料一体化成型的优势以及金属材料易于维修保养的特点，开发一种碳纤维复合材料和金属材料相结合的新型混杂车门结构，解决碳纤维复合材料结构设计、制造、连接及模具开发等共性技术问题，使企业尽快掌握碳纤维复合材料零部件设计制造方法，成为国内少数几家能够自主进行碳纤维复合材料零件开发制造的汽车零部件企业，为上汽集团新材料汽车零部件的产业化开发及轻量化应用奠定技术基础。
（2）解决的关键技术：
1）复合材料车门内板一体化成型技术研究。
本项目基于低成本工艺HP-RTM，采用真空辅助树脂流动成型，开发了一种碳纤维复合材料车门结构。建立了液体成型车门内板工艺仿真分析方法、预成型体料片裁剪工艺预制方案，以及复杂结构液体成型工艺和注浇、出浇口设计，最终较原铝合金车门部件的总减重达到30%以上。
2）复合材料防撞梁成型关键技术研究。
本项目基于预浸料模压法这一低成本快速成型工艺，采用了预浸料热压罐成型工艺进行研究。并且基于相关工况，采用普通碳纤维编织布作为增强体复合材料，对前、后车门防撞梁进行复合材料铺层结构设计、制造、测试和评价，建立复合材料防撞梁材料-结构-工艺与性能一体化设计方法和开发关键技术。
3）复合材料的连接关键技术。
在复合材料的实际应用过程中，复合材料与复合材料、复合材料与金属材料之间的连接技术是一大难点。本项目结合车门的应用情况，对材料进行了单钉单剪测试和单钉双剪测试的连接性能评价方法，完成了CFRP-CFRP、CFRP-铝合金以及CFRP-普通钢的胶结和混杂连接等连接结构的系统研究，并且通过仿真分析进一步验证了实验的可靠性，建立了混杂复合材料车门系统连接关键技术研究方法和平台。
（3）技术路线和方法：
以汽车前、后车门为研究对象，开发一种碳纤维复合材料和金属材料相结合的新型混杂车门结构（见图1），车门内板及防撞梁使用复合材料进行设计制造，车门外板及窗框结构仍然使用金属材料。
图1 混杂车门结构示意图
（4）达到的效果和成果技术水平：
本项目以碳纤维复合材料为研究对象，对碳纤维复合材料单搭接连接结构、双搭接连接结构进行了试验研究，得出最佳连接区参数，为有限元模型的输入提供了详细参数。建立碳纤维复合材料连接结构的有限元模型，验证其模型的有效性。基于和连接结构相同的材料体系下制备碳纤维复合材料防撞梁并进行连接区设计，开展防撞梁三点弯曲试验、有限元分析，最终完成了包括车门外板、窗框、防撞梁、车门锁扣等一些附属配件的装配工作。
1）碳纤维复合材料单钉单剪连接结构中，建议选择8.1 mm孔径，如果需要在保证一定承载载荷的情况下，要求较高的挤压强度，建议选择6.1 mm孔径。增大厚度并不可以提高连接孔的挤压强度，而是在厚度和挤压强度之间去取一个较为平衡的值，即在满足挤压强度的条件下，适当的降低厚度，提高连接孔的连接效率。
2）在碳纤维复合材料单钉双剪连接结构中，一定程度的螺栓扭矩可以提高连接结构的挤压强度，最佳螺栓扭矩为9 N·m；端距比小于3的双剪连接是会产生挤压-剪切失效模式的。然而随着端距比大于3时，失效模式变为挤压失效，且端距比为3时，挤压强度最大；为了保证接头具有良好的承载能力，且发生较为安全的失效模式，建议边距比要达到6。
3）采用渐近损伤分析方法，运用Abaqus有限元分析软件，通过VUMAT子程序，定义改进的Hashin准则、整合了Tan、Tserpes材料刚度退化模型，仿真结果与试验结果进行对比，仿真具有较高的精度，模型可以很好地预测碳纤维复合材料单搭接螺栓连接的最终失效载荷，且双搭接模拟的失效载荷误差优于单搭接。
4）采用动态DSC和恒温DSC评价BAC 177和BAC 172两款树脂的固化放热特性并制定固化方案，BAC 177树脂固化方案为77℃/60min+103℃/30 min +146℃/30min，BAC 172树脂固化方案为82℃/30min+134℃/30min+159℃/30min。采用旋转流变仪分析BAC 177和BAC 172树脂的升温流变性能，BAC 172在常温下的可操作性要优于BAC 177。对BAC 177和BAC 172树脂的复合材料层合板力学性能进行对比，综合树脂流变性能，采用BAC 172树脂进行碳纤维复合材料车门内板产品开发。
5）采用DSC对单向预浸料的树脂体系固化放热特性进行表征，确定单向预浸料热压罐工艺的固化方案。预浸料需在125℃时升压至600 KPa并保压15 min，再升温至146℃保温30 min固化成型。对单向预浸料的力学性能进行表征，0°的拉伸强度为2748 MPa，拉伸模量为154 GPa、0°压缩强度为725 MPa，模量为115GPa、0°弯曲强度为1048 MPa，模量为106 GPa、90°拉伸强度为32 MPa，拉伸模量为8 GPa、90度的压缩强度169 MPa，模量为7 GPa、90°弯曲强度为74 MPa，模量为8 GPa、短梁剪切强度为100 MPa。
6）采用FiberSIM对防撞梁和车门内板铺层的铺敷性进行分析，通过FiberSIM的Darts优化铺层的铺敷效果，并导出CAD图纸指导预成型体裁剪。采用径向法测试T700NCF碳纤维布的渗透率及孔隙率，NCF碳纤维布在VARI工艺下的孔隙率为56%，纵向的渗透率为4.4*10-10 m2，横向的渗透率为2.2*10-10 m2。采用PAM-RTM对车门内板进行流道分析，采用两端线型灌注的方案，模拟灌注时间为37 min。
7）根据FiberSIM及PAM-RTM采用BAC 172树脂进行VARI工艺碳纤维复合材料车门内板制作，实际灌注时间为50 min。采用Abaqus进行防撞梁三点弯测试仿真分析，根据Abaqus和FiberSIM分析结果进行防撞梁样件制作。进行防撞梁三点弯测试，测试最大载荷为14.89 KN，最大位移为31.5 mm，满足性能要求。将碳纤维复合材料车门内板和防撞梁进行称重，并与原用的钢制样件进行对比。其中各部件实际减重效果不同，例如前后车门内板分别减重了26.7%、22.2%，前后防撞梁的减重在45%左右，车门各部件总减重也已达到了30%以上，
8）设计了包括车门外板、窗框、防撞梁、车门锁扣等一些附属配件的装配方案，并最终完成了整个车门装配工作。
2、技术创新点
（1）本项目开发一种碳纤维复合材料和金属材料相结合的新型混杂车门结构，复合材料车门内板采用一体化成型，较原铝合金车门部件的总减重达30%以上。
（2）复合材料与复合材料、复合材料与金属的连接技术是一大难点，本项目结合车门的应用情况，完成了CFRP-CFRP、CFRP-铝合金以及CFRP-普通钢的胶结和混杂连接等连接结构的系统研究，并且通过仿真分析进一步验证了实验的可靠性。
（3）本项目针对车门子系统进行了复合材料轻量化技术攻关，打通了材料评价、连接设计和实验、模具设计与开发、结构和铺层设计、仿真分析、成型工艺和性能检测等复合材料汽车零部件开发的关键环节，为复合材料零部件的量产可行性提供了技术支撑。
3、专利/论文/获奖情况
（1）专利
- 余木火, 孙泽玉, 卫原平, 孔海娟, 杨青, 刘涛然, 张新异, 杜宇, 陶雷, 戚亮亮, 闵伟, 毛毅玮, 欧汉文, 宋涛. 一种不同厚度纤维织物面内渗透率快速测试装置. CN111337402A, 2020-06-26.
- 余木火, 陶雷, 孙泽玉, 高洪平, 戚亮亮, 杜宇, 代兰奎, 张新异, 闵伟, 毛毅玮, 欧汉文, 宋涛. 袋压缩树脂传递模塑成型模具、成型装置及成型方法. CN111674059A, 2020-09-18.
（2）发表论文
- Zeyu Sun, Jie Xiao, Lei Tao, Yuanping Wei, Shijie Wang, Hui Zhang, Shu Zhu and Muhuo Yu. Preparation of High-Performance Carbon Fiber-Reinforced Epoxy Composites by Compression Resin Transfer Molding. Materials, 2018, 12(1) : 13. (三区)
- 孙泽玉, 余许多, 陶 雷, 高洪平, 肖 杰, 余木火*. 不同内径碳纤维复合材料轴管的振动性能研究. 复合材料科学与工程. 2020(05):63-68.
- 张新异, 孔海娟*, 胡之峰, 孙泽玉, 余木火, 孙昊. 垫片尺寸对碳纤维复合材料螺栓连接单搭接挤压强度影响研究. 复合材料科学与工程, 2020(05): 53-62.
- 王士杰, 孙泽玉*, 陶雷, 杨青, 杜宇, 代兰奎, 熊风, 朱姝, 张辉, 余木火*. PMI泡沫对碳纤维复合材料抗低速冲击性能的影响. 玻璃钢/复合材料, 2019(08):53-58.
4、成果应用及经济效益预测
本项目所采用低压RTM工艺，可较高压RTM工艺降低80%的成本。本项目前车门板、后车门板、前防撞梁、后防撞梁四个部件，分别达到了26.7%、22.2%、45%、45%的减重效果，车门部件总减重达30%以上。将四个部件作为一套部件计算成本得到：当生产处于打样阶段时，即公司年产量在500件以内时，可以控制成本单价在4386元左右：当处于年产量维持在500-5000件的小批量阶段时，可控制成本单价在2632元左右；当处于年产量在5000件以上的批量阶段时，成本单价可控制在867-1315元左右。而材料和工艺成本有着同样的成本变化：碳纤维复合材料打样阶段500元/公斤，碳纤维复合材料小批量阶段成本300元/公斤，碳纤维复合材料批量阶段成本100-150元/公斤。因此本项目未来将具有巨大经济效益与社会效益。